软件工程学习笔记（四）软件设计

软件设计概述

软件设计的基本特征：目标，形态，内容
从技术角度考虑，软件设计主要包括4方面内容：

1. 系统结构设计：确定软件系统的结构，即软件系统的组成，以及各组成成分（子系统或模块）之间的相互关系
2. 接口设计：确定目标系统与其他软/硬件系统之间、目标系统与用户之间的交互关系及通信方式
3. 数据设计：对数据结构的设计
4. 过程设计：把每个模块内部的执行逻辑转换成过程性描述（即算法设计）
   
   从工程管理角度考虑，软件设计过程划分为两大阶段：概要设计阶段，详细设计阶段
   
   概要设计：包括结构设计和接口设计，并编写设计文档。确定模块的划分，模块之间的调用关系，接口等
   详细设计：其任务是确定各个软件组件的数据结构和操作，产生描述个软件组件的详细设计文档。细分模块、数据结构等

软件体系结构的典型风格

• 主程序-子过程风格
  

• 面向对象风格
  

• 层次风格
  

• 以数据为中心的风格（仓库风格）
  

• 客户机-服务器体系结构风格

C/S结构的层次性：
从应用系统开发的角度考虑，C/S结构的应用系统通常可以由3个相对独立的部分组成，每一部分承担着不同的职责：
用户界面部分：即表示层，主要实现用户与应用系统之间的交互接口，用于接收用户输入的数据，并显示应用系统输出的数据。一般采用图形用户界面（GUI）。
应用逻辑部分：即业务逻辑层（或功能层），主要实现应用系统的各种处理功能。一般通过应用程序来实现各种功能的业务处理逻辑。
数据管理部分：即数据层，主要实现数据的存储以及对数据的存取操作任务。一般采用关系型数据库管理系统。

胖客户端结构	瘦客户端结构
服务器端负责数据管理	服务器端负责应用逻辑部分和数据管理
客户端负责实现应用逻辑部分和用户界面部分	客户端负责用户界面部分

胖客户端的C/S系统执行效率比瘦客户端更高

浏览器/服务器(B/S)结构：

基于集群（Cluster）的C/S或B/S物理分布
通常，应用逻辑层并不一定只驻留在一台服务器上，数据层也是如此；如果应用逻辑层（或数据层）分布在多台服务器上，那么就形成了基于集群（Cluster）的物理分布模式；
目的：提高服务器并发处理的性能，以改善系统的运行速度；提高系统的可靠性与可用性。

结构化设计方法

结构化设计方法（Structured Design，SD）强调将软件系统划分成若干个模块。模块作为可合并、可分解的基本单元，主要包括 功能 接口 和 逻辑 三个基本属性，其中 逻辑 属性反映模块的内部特性。
是一种面向数据流的设计方法：根据数据流图（DFD）的不同类型，将其转换为相应的软件体系结构（属于“主程序-子过程”风格）
目标：通过对模块的合理划分，得到软件的体系结构图，进而再细化每个模块内部的处理流程。

结构化设计的核心原则——模块化
模块独立性是软件系统划分模块时的一个主要准则，也是评价模块构造是否合理的主要标准之一。如果一个模块只完成一个相对独立的子功能，即功能单一，并且与其它模块之间没有过多的相互作用和复杂的联系，则称这样的模块具有独立性。通常从以下两方面来衡量模块的独立性：模块本身的内聚性，模块之间的耦合性
内聚性是从“功能”的角度来衡量模块内部的联系，是对模块功能强度的度量： 如果一个模块内部的所有成分，都是为了完成某个单一功能，而彼此紧密结合在一起，则说明该模块的内聚性强。耦合性表示模块与模块之间相互联系、相互依赖的紧密程度。模块间连接越紧密，联系越复杂，耦合性越高

按照块内联系的各种类型（内聚性从小到大）：
偶然型：模块内部沒有必然联系；
逻辑型：逻辑上相似的功能放进一个模块；
瞬时型：将同时执行的语句放在一个模块；
通讯型：模块中的各部分引用共同的数据；
顺序型：模块中一部分的输出是另一部分的收入；
功能型： 模块中刚好包含了完成一个基本任务所必需的成分

按照块间联系分类法（按照耦合度由大到小）：
内容型：直接引用另一模块的内部信息；
公共型:两个模块引用共同的全程数据区；
控制型：模块间传送的信息用于控制模块的内部逻辑；
复合型：模块间传送复合的数据结构；
数据型：模块间传送单个数据项。

模块化设计的目标：高内聚，低耦合（即提高模块内部的联系，降低模块之间的联系）
改进方法：
1）尽可能建立功能模块；
2）消除重复功能；
3）模块的作用范围与控制范围，即当作用范围为控制范围的子集时，才能获得较低的块间联系；
4）模块的大小适当；
5）模块的扇入扇出数不宜太多。

模块化设计：
便于由多个人分工编制大型程序；软件的功能便于扩充程序；易于理解，也便于排错；只要模块之间的接口关系不变，各模块内部实现细节的修改将不会影响别的模块； 模块间的单向调用关系叫做模块的层次结构

结构图
模块：实现特定功能，有明确的输入、内部处理逻辑、输出。一般用矩形框表示，框内注明该模块的名称（常以其功能做为模块名）。
调用关系：模块之间通过“过程/函数调用”的方式建立连接。一般用自上而下的箭头连线表示两个模块之间的调用关系。
模块间的信息传递：模块调用过程中，相互传递的信息。
数据信息：模块间相互调用时所传递的业务性数据。通常是一些简单数据类型或复杂数据类型（比如，结构体）；
控制信息：模块间相互调用时所传递的标志性数据。比如，“Y”/“N”、“T”/“F”、状态标志等。
结构深度：结构图中的层次总数
结构宽度：结构图中，同一层次上模块总数的最大值
模块的扇入：能直接调用某模块的模块个数
模块的扇出：某个模块直接调用的模块个数
DFD的两种特征：

• 变换型DFD
  信息沿着输入路径进入系统，同时由外部形式变换为内部形式，然后经过系统内部的 “变换中心”进行处理，处理后的结果再沿着输出路径变换成外部形式离开系统。 输入部分与变换中心之间，变换中心与输出部分之间都具有较为明显的边界
  
  变换型结构由至少一条传入路径、变换中心和传出路径组成

• 事务型DFD
  信息沿着输入路径进入系统，由外部形式变换为内部形式后，到达某个数据加工（称为事务中心），然后该事务中心根据输入信息的类型，在之后的多条“加工路径”中选择一个去执行。事务中心的任务： 接收事务信息，根据事务类型选取一条加工路径执行
  
  事务型结构由至少一条接受路径、一个事务中心与若干条动作路径组成

从DFD图到SC图的映射规则：
（1）复审DFD图，必要时可再次进行修改或细化；
（2）鉴别DFD图所表示的软件系统的结构特征，确定它所代表的软件结构是属于变换型还是事务型。
（3）按照SD方法规定一组规则，把DFD图转换为初始的SC图；
（4）按照优化设计的指导原则改进初始的SC图，获得最终SC图。

将数据流图DFD映射为结构图SC的变换分析

逻辑输入通常是距离物理输入端最远的，但仍可以被视为系统输入的那些数据流。
变换中心的两端分别是逻辑输入和逻辑输出，其任务是把系统的逻辑输入加工处理为系统的逻辑输出
顶层结构：只有一个主模块MC ，代表整个系统，用于控制协调其它模块
第一层结构：通常包括三个模块：
输入信息处理模块MA ：管理所有输入信息的接收（从物理输入到逻辑输入）；
变换中心控制模块MT ：管理所有对逻辑输入的操作；
输出信息处理模块ME ：管理所有输出信息的产生（从逻辑输出到物理输出）。


输入分支：从逻辑输入开始，逆着输入路径向外移动，将输入路径中的每个数据加工依次映射成为模块 MA 控制下的一个低层模块；
变换分支：将变换中心内的每个数据加工映射成为模块 MT 控制下的一个低层模块；
输出分支：从逻辑输出开始，顺着输出路径向外移动，将输出路径中的每个数据加工依次映射成为模块 ME 控制下的一个低层模块

将数据流图DFD映射为结构图SC的事务分析

在事务型DFD上区分出输入部分、事务中心和发送部分（由事务中心发射出的多条加工路径构成），并划出分界线。顶层结构只包含一个主模块。第一层结构主要包括两个分支：输入分支和发送分支
输入分支：映射方法与变换分析中映射输入分支的方法相同，即从事务中心的边界开始，将逆着输入路径中的数据加工依次映射成模块。
发送分支：包含一个调度模块，对应事务中心。由事务中心发射出的每条加工路径可根据其各自的流特征（变换型或事务型）映射成相应结构，由调度模块“选择调用”。

例题

结构图SC的优化原则：

• 通过对模块进行适当的分解或合并，力求提高内聚降低耦合
• 应尽可能减少高扇出结构：对其下属模块进行归类，并适当增加中间层的控制模块，以减少扇出
• 应随着深度增大扇入

一个良好的结构，通常上层扇出较高，中层扇出较低，底层扇入较高

SD方法中常用的过程设计描述工具

程序流程图

N-S图（盒图）

PAD图

PAD图的特点：
⑴ 清晰地反映了程序的层次结构。图中的竖线为程序的层次线，最左竖线是程序的主线，其后一层一层展开，层次关系一目了然。
⑵ 支持逐步求精的设计方法，左边层次中的内容可以抽象，然后由左到右逐步细化。
⑶ 易读易写，使用方便。
⑷ 支持结构化的程序设计原理。
⑸ 可自动生成程序。

判定表/判定树
判定表由四部分组成：
左上部列出所有条件
左下部是所有可能做的动作
右上部表示各种条件组合
右下部是和每种条件组合相对应的动作

过程设计语言PDL
PDL也称为伪码。
如：if I>0 then
执行订单数据输入模块
else
报告出错信息
end if

用PDL表示的程序结构一般有：⑴ 顺序结构：采用自然语言描述⑵ 选择结构⑶ 重复结构
⑷ 出口结构 ⑸ 模块定义与调用 ⑹ 数据定义⑺ 输入输出

用户界面设计

软件用户界面的组成部分：

信息输入方式：键盘输入，鼠标输入，硬件接口输入，软件接口输入
指令输入方式：键盘输入，直接操纵图形元素
信息输出形式：单一数据，成组数据，大量数据，软件接口输出，动态数据

软件用户界面设计的基本原则：
 置系统于用户的控制之下：允许用户与系统的交互被中断或撤销；允许用户与出现在屏幕上的任何对象进行直接交互。
 减少用户的记忆负担：建立有意义的缺省值；定义直观的快捷方式：如快捷键
 保持界面的一致性：一致性要求UI遵循标准和常规的方式，让用户处在一个熟悉的和可预见的环境之中
 个性化：可以使不同的用户按照自己的习惯、爱好以及对系统的熟悉程度来设置UI元素
 宽容性：允许用户进行实验性操作和出错，用户在出错时能够方便的从错误中恢复
 反馈：在发生错误或程序运行时间较长时，系统应给用户提供有意义的、可视化的
反馈，以便用户了解错误性质或程序的执行进度。
 美观性
 可用性
 简洁性：避免使用许多复杂的图片和动画等，造成用户操作时的分心；界面布局应当适合清晰地表达信息；具有与之匹配的导航性

软件用户界面设计的几种常见模式

• Windows标准模式
• 导航模式
• 层叠模式
• 表格模式
• 向导模式

软件用户界面设计需要考虑的若干因素

• 单界面/多界面
• 界面布局
• 界面大小
• 界面中的颜色
• 菜单设计
• 信息表示
• 使用效率
• 安全性
• 用户支持